KR20220165193A - 제어 방법 및 제어 장치 - Google Patents

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KR1020220064209A
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아키라 히라타
다츠야 야마구치
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 성막 장치의 처리 용기 내의 과승온을 회피한다.
[해결수단] 관형 부재 내에 수용된 기판에 막을 형성하는 성막 장치에 있어서의 제어 방법으로서, 관형 부재 내의 제1 온도 센서가 측정한 제1 온도를 취득하는 공정과, 취득한 제1 온도에 기초하여 제1 온도가 목표 온도에 가까워지도록 처리 용기 내에 배치된 가열부에 출력하는 제1 파워를 산출하는 공정과, 관형 부재 밖으로서 처리 용기 내의 제2 온도 센서가 측정한 제2 온도를 취득하는 공정과, 취득한 제2 온도에 기초하여 제2 온도가 온도 상한값에 가까워지도록 가열부에 출력하는 제2 파워를 산출하는 공정과, 적어도 제2 온도를 예측하는 예측 모델에 기초하여, 취득한 제2 온도로부터 소정 시간 앞의 제2 온도의 예측값을 산출하는 공정과, 산출한 제2 온도의 예측값에 따라 제1 파워 또는 제2 파워 중 어느 하나를 가열부에 출력하는 공정과, 소정 주기로 상기 각 공정을 반복하는 공정을 갖는 제어 방법.

Description

제어 방법 및 제어 장치{CONTROL METHOD AND CONTROL APPARATUS}
본 개시는 제어 방법 및 제어 장치에 관한 것이다.
예컨대, 반도체 제조 장치의 처리 용기 내의 온도를 측정하고, 측정 결과를 처리 용기 내에서 실행하는 기판 처리의 프로세스 조건의 제어에 사용하는 것이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2004-172409호 공보
처리 용기 내에서는 열의 전달에 시간이 걸려, 온도 제어에 영향을 부여하는 경우가 있다.
본 개시는 성막 장치에 있어서의 온도 제어의 지연을 발생시키지 않고 처리 용기 내의 과승온을 회피할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 하나의 양태에 따르면, 처리 용기와 상기 처리 용기 내의 관형 부재를 가지며, 상기 관형 부재 내에 수용된 기판에 막을 형성하는 성막 장치에 있어서의 제어 방법으로서, (a) 상기 관형 부재 내의 제1 온도 센서가 측정한 제1 온도를 취득하는 공정과, (b) 취득한 상기 제1 온도에 기초하여 제1 온도가 목표 온도에 가까워지도록 상기 처리 용기 내에 배치된 가열부에 출력하는 제1 파워를 산출하는 공정과, (c) 상기 관형 부재 밖으로서 상기 처리 용기 내의 제2 온도 센서가 측정한 제2 온도를 취득하는 공정과, (d) 취득한 상기 제2 온도에 기초하여 제2 온도가 온도 상한값에 가까워지도록 상기 가열부에 출력하는 제2 파워를 산출하는 공정과, (e) 적어도 제2 온도를 예측하는 예측 모델에 기초하여, 취득한 상기 제2 온도로부터 소정 시간 앞의 제2 온도의 예측값을 산출하는 공정과, (f) 산출한 상기 제2 온도의 예측값에 따라 상기 제1 파워 또는 상기 제2 파워 중 어느 하나를 상기 가열부에 출력하는 공정과, (g) 소정 주기로 상기 (a)∼(f)의 공정을 반복하는 공정을 갖는 제어 방법이 제공된다.
하나의 측면에 따르면, 성막 장치에 있어서의 온도 제어의 지연을 발생시키지 않고 처리 용기 내의 과승온을 회피할 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 열처리 장치의 일례를 나타내는 단면 모식도면이다.
도 2는 처리 용기 내의 과승온의 과제를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 열처리 장치의 제어 방법의 개요를 나타내는 도면이다.
도 4는 제1 실시형태에 따른 열처리 장치의 제어 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 제1 실시형태에 따른 제어 장치의 제어부의 구성 및 일동작예를 나타내는 도면이다.
도 6은 제1 실시형태에 따른 제어 장치의 예측부의 구성 및 동작예 1을 나타내는 도면이다.
도 7은 제1 실시형태에 따른 제어 장치의 예측부의 구성 및 동작예 2를 나타내는 도면이다.
도 8은 제1 실시형태에 따른 제어 장치의 예측부의 구성 및 동작예 3을 나타내는 도면이다.
도 9는 비교예 1에 따른 제어에 의한 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 비교예 2에 따른 제어에 의한 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은 제1 실시형태에 따른 제어 장치에 의한 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는 제2 실시형태에 따른 제어 장치의 제어부의 구성 및 일동작예를 나타내는 도면이다.
도 13은 제2 실시형태에 따른 제어 장치에 의한 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 14는 실시형태에 따른 제어 장치의 하드웨어 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시를 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략하는 경우가 있다.
[열처리 장치]
도 1을 참조하면서, 실시형태의 성막 장치의 일례로서 열처리 장치(1)에 대해서 설명한다. 도 1은 실시형태의 열처리 장치(1)의 일례를 나타내는 개략도이다.
열처리 장치(1)는, 처리 용기(10)와 관형 부재(2)를 갖는다. 처리 용기(10)는, 대략 원통 형상을 갖는다. 관형 부재(2)는, 처리 용기(10)의 내측에 배치되며, 내관(11) 및 외관(12)을 갖는다. 내관(11)은, 대략 원통 형상을 갖는다. 내관(11)은, 예컨대 석영 등의 내열 재료에 의해 형성되어 있다. 내관(11)은 기판을 수용한다. 내관(11)은 이너 튜브라고도 칭해진다.
외관(12)은, 천장을 갖는 대략 원통 형상을 가지며, 내관(11)의 주위에 동심적으로 마련되어 있다. 외관(12)은, 예컨대 석영 등의 내열 재료에 의해 형성되어 있다. 외관(12)은, 아우터 튜브라고도 칭해진다. 열처리 장치(1)는, 관형 부재(2)와 처리 용기(10)에 의해 이중 구조로 되어 있다.
열처리 장치(1)는, 매니폴드(13), 인젝터(14), 가스 출구(15), 덮개체(16) 등을 갖는다. 매니폴드(13)는, 대략 원통 형상을 갖는다. 매니폴드(13)는, 내관(11) 및 외관(12)의 하단을 지지한다. 매니폴드(13)는, 예컨대 스테인레스강에 의해 형성되어 있다.
인젝터(14)는, 매니폴드(13)를 관통하여 내관(11) 내에 수평으로 연장되며, 내관(11) 내에서 L자형으로 굴곡하여 상방으로 연장된다. 인젝터(14)는, 기단이 후술하는 가스 공급 배관(22)과 접속되며, 선단이 개구한다. 인젝터(14)는, 가스 공급 배관(22)을 통해 도입되는 처리 가스를 선단의 개구로부터 내관(11) 내에 토출한다. 처리 가스는, 예컨대 성막 가스, 클리닝 가스, 퍼지 가스를 포함한다. 본 실시형태에 있어서, 성막 가스는, 몰리브덴막을 성막하기 위해 이용되는 가스이다. 또한, 도 1의 예에서는, 인젝터(14)가 1개인 경우를 나타내고 있지만, 인젝터(14)는 복수개여도 좋다.
가스 출구(15)는, 매니폴드(13)에 형성되어 있다. 가스 출구(15)에는, 배기 배관(32)이 접속되어 있다. 처리 용기(10) 내에 공급되는 처리 가스는, 가스 출구(15)를 통해 배기부(30)에 의해 배기된다.
덮개체(16)는, 매니폴드(13)의 하단의 개구를 기밀하게 막는다. 덮개체(16)는, 예컨대 스테인레스강에 의해 형성되어 있다. 덮개체(16) 상에는, 보온통(17)을 통해 웨이퍼 보트(18)가 배치되어 있다. 보온통(17) 및 웨이퍼 보트(18)는, 예컨대 석영 등의 내열 재료에 의해 형성되어 있다. 웨이퍼 보트(18)는, 복수의 웨이퍼(W)를 연직 방향에 소정 간격을 두고 대략 수평으로 유지한다. 웨이퍼 보트(18)는, 승강 기구(19)가 덮개체(16)를 상승시킴으로써 처리 용기(10) 내에 반입(로드)되어, 처리 용기(10) 내에 수용된다. 웨이퍼 보트(18)는, 승강 기구(19)가 덮개체(16)를 하강시킴으로써 처리 용기(10) 내로부터 반출(언로드)된다. 웨이퍼(W)는, 기판의 일례이다.
열처리 장치(1)는, 가스 공급부(20), 배기부(30), 가열부(40), 냉각부(50), 제어 장치(90) 등을 더 갖는다. 가스 공급부(20)는, 가스 소스(21), 가스 공급 배관(22) 및 유량 제어부(23)를 포함한다. 가스 소스(21)는, 처리 가스의 공급원이며, 예컨대 성막 가스 소스, 클리닝 가스 소스, 퍼지 가스 소스를 포함한다. 가스 공급 배관(22)은, 가스 소스(21)와 인젝터(14)를 접속한다. 유량 제어부(23)는, 가스 공급 배관(22)에 끼워져 설치되어 있으며, 가스 공급 배관(22)을 흐르는 가스의 유량을 제어한다. 유량 제어부(23)는, 예컨대 매스 플로우 컨트롤러, 개폐 밸브를 포함한다. 이러한 가스 공급부(20)는, 가스 소스(21)로부터의 처리 가스를 유량 제어부(23)로 그 유량을 제어하고, 가스 공급 배관(22)을 통해 인젝터(14)에 공급한다.
배기부(30)는, 배기 장치(31), 배기 배관(32) 및 압력 제어기(33)를 포함한다. 배기 장치(31)는, 예컨대 드라이 펌프, 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프이다. 배기 배관(32)은, 가스 출구(15)와 배기 장치(31)를 접속한다. 압력 제어기(33)는, 배기 배관(32)에 끼워져 설치되어 있으며, 배기 배관(32)의 컨덕턴스를 조정함으로써 처리 용기(10) 내의 압력을 제어한다. 압력 제어기(33)는, 예컨대 자동 압력 제어 밸브이다.
가열부(40)는, 단열재(41), 히터(42) 및 외피(43)를 포함한다. 단열재(41)는, 대략 원통 형상을 가지며, 외관(12)의 주위에 마련되어 있다. 단열재(41)는, 실리카 및 알루미나를 주성분으로 하여 형성되어 있다. 히터(42)는, 발열체의 일례이며, 단열재(41)의 내주에 마련되어 있다. 히터(42)는, 처리 용기(10)의 높이 방향에 복수의 존으로 나누어 온도 제어가 가능하도록 처리 용기(10)의 측벽에 선형 또는 면형으로 마련되어 있다. 외피(43)는, 단열재(41)의 외주를 덮도록 마련되어 있다. 외피(43)는, 단열재(41)의 형상을 유지하며 단열재(41)를 보강한다. 외피(43)는, 스테인레스강 등의 금속에 의해 형성되어 있다. 또한, 가열부(40)의 외부에의 열영향을 억제하기 위해, 외피(43)의 외주에 수냉 재킷(도시하지 않음)을 마련하여도 좋다. 이러한 가열부(40)는, 히터(42)에 공급되는 파워에 의해 히터(42)의 발열량이 결정되고, 이에 의해, 처리 용기(10) 내를 원하는 온도가 될 때까지 가열한다.
냉각부(50)는, 처리 용기(10)를 향하여 냉각 유체를 공급하여, 처리 용기(10) 내의 웨이퍼(W)를 냉각한다. 냉각 유체는, 예컨대 공기여도 좋다. 냉각부(50)는, 예컨대 열처리 후에 웨이퍼(W)를 급속 강온시킬 때에 처리 용기(10)를 향하여 냉각 유체를 공급한다. 냉각부(50)는, 유체 유로(51), 취출 구멍(52), 분배 유로(53), 유량 조정부(54), 배열구(55)를 갖는다.
유체 유로(51)는, 단열재(41)와 외피(43) 사이에 높이 방향에 복수 형성되어 있다. 유체 유로(51)는, 예컨대 단열재(41)의 외측에 둘레 방향을 따라 형성된 유로이다.
취출 구멍(52)은, 각 유체 유로(51)로부터 단열재(41)를 관통하여 형성되어 있으며, 외관(12)과 단열재(41) 사이의 공간에 냉각 유체를 분출한다.
분배 유로(53)는, 외피(43)의 외부에 마련되어 있으며, 냉각 유체를 각 유체 유로(51)에 분배하여 공급한다.
유량 조정부(54)는, 분배 유로(53)에 끼워져 설치되어 있으며, 유체 유로(51)에 공급되는 냉각 유체의 유량을 조정한다.
배열구(55)는, 복수의 취출 구멍(52)보다 상방에 마련되어 있으며, 외관(12)과 단열재(41) 사이의 공간에 공급된 냉각 유체를 열처리 장치(1)의 외부에 배출한다. 열처리 장치(1)의 외부에 배출된 냉각 유체는, 예컨대 열 교환기에 의해 냉각되어 재차 분배 유로(53)에 공급된다. 단, 열처리 장치(1)의 외부에 배출된 냉각 유체는, 재이용되는 일없이 배출되어도 좋다.
온도 센서(60)는, 관형 부재(2) 내의 온도를 검출하는 제1 온도 센서의 일례이다. 온도 센서(60)는, 예컨대 내관(11) 내에 마련되어 있다. 단, 온도 센서(60)는, 관형 부재(2) 내의 온도를 검출할 수 있는 위치에 마련되어 있으면 좋고, 예컨대 내관(11)과 외관(12) 사이의 공간에 마련하여도 좋다. 온도 센서(60)는, 예컨대 복수의 존에 대응하여 높이 방향의 다른 위치에 마련된 복수의 측온부(61∼65)를 갖는다. 측온부(61∼65)는, 각각 존 「TOP」, 「C-T」, 「CTR」, 「C-B」 및 「BTM」에 대응하여 마련되어 있다. 복수의 측온부(61∼65)는, 예컨대 열전대, 측온 저항체여도 좋다. 온도 센서(60)는, 복수의 측온부(61∼65)에서 검출한 온도를 제어 장치(90)에 송신한다.
온도 센서(71∼75)(이하, 총칭하여 「온도 센서(70)」라고도 함)는, 처리 용기(10)의 외부로부터 처리 용기(10)와 관형 부재(2) 사이의 공간에 삽입된다. 이에 의해, 온도 센서(70)의 측온부는, 존 「TOP」, 「C-T」, 「CTR」, 「C-B」 및 「BTM」에 대응하여 측온부(61∼65)와 대략 동일한 높이에 배치된다. 온도 센서(70)의 측온부의 각각은, 예컨대 열전대, 측온 저항체여도 좋다. 온도 센서(70)는, 복수의 측온부에서 검출한 온도를 제어 장치(90)에 송신한다.
온도 센서(60, 70)의 측온부는 5개에 한정되지 않고, 7개 또는 그 외의 1 이상의 개수여도 좋다. 히터(42)의 근처에 온도 센서(70)가 있고, 히터(42)와, 온도 센서(70) 및 온도 센서(60)의 측온부는 짝을 이루고 있다. 온도 센서(60)가 측정하는 관형 부재(2) 내의 온도를 「Inner 온도」 또는 「TI」라고도 표기한다. 온도 센서(60)가 측정하는 Inner 온도(TI 온도)는, 제1 온도의 일례이다. 온도 센서(70)가 측정하는 관형 부재(2) 밖으로서 처리 용기(10) 내의 온도를 「Outer 온도」 또는 「TO」라고도 표기한다. 온도 센서(70)가 측정하는 Outer 온도(TO 온도)는, 제2 온도의 일례이다.
제어 장치(90)는, 열처리 장치(1)의 동작을 제어한다. 제어 장치(90)는, 예컨대 컴퓨터여도 좋다. 열처리 장치(1)의 전체의 동작을 행하는 컴퓨터의 프로그램은, 기억 매체에 기억되어 있다. 기억 매체는, 예컨대 플렉시블 디스크, 콤팩트 디스크, 하드 디스크, 플래시 메모리, DVD 등이어도 좋다.
[Outer 온도의 과승온]
통상, 열처리 장치(1)에서는, 관형 부재(2) 내의 영역(이하, 「Inner 영역」이라고도 함)의 온도(Inner 온도)를 레시피에 설정된 목표 온도까지 상승시켜 웨이퍼(W)에 원하는 성막 처리를 행한다. 이때, 관형 부재(2) 밖으로서 처리 용기(10) 내의 영역(이하, 「Outer 영역」이라고도 함)에 마련된 히터(42)의 파워를 제어함으로써 Outer 영역으로부터 Inner 영역에 열을 전하여, Inner 온도를 목표 온도까지 상승시킨다.
그런데, 열처리 장치(1)로 웨이퍼(W)에 몰리브덴(Mo)막 등의 반사율이 높은 금속막을 성막하는 경우, 몰리브덴막의 성막 시에 관형 부재(2)(내관(11)의 표면 및 외관(12)의 내면)의 몰리브덴막이 부착된다. 몰리브덴막의 반사율은 약 0.97로 높기 때문에 관형 부재(2)의 내측에 부착된 몰리브덴막은 반사막으로서 기능한다. 내관(11)의 표면 및 외관(12)의 내면이 반사율이 높은 막으로 덮으면, 관형 부재(2)의 이중 구조에 의한 단열 효과가 높아져, Outer 영역으로부터 Inner 영역까지의 열의 전달에 시간이 걸린다.
도 2는 처리 용기(10) 내의 과승온의 과제를 설명하기 위한 그래프이다. 도 2의 (a)는 Inner 온도의 일례를 나타내는 그래프이며, 그래프의 횡축은 시간, 종축은 온도이다. 도 2의 (b)에 나타내는 히터(42)의 파워의 제어에 의해 Inner 온도는 서서히 상승하고 있다.
그런데, 관형 부재(2)의 내측에 부착된 몰리브덴막이 반사막으로서 기능하여, 관형 부재(2)의 이중 구조에 의해 Outer 영역으로부터 Inner 영역으로의 열의 전달에 시간이 걸려, 히터(42)의 파워를 올려도 Inner 온도는 곧바로는 오르지 않는다. 이 때문에, 히터(42)의 파워를 더욱 올린다. 도 2의 (b)의 예에서는, 시간이 30분 이내일 때에 히터(42)의 파워를 더욱 올리고 있다.
이에 의해 Outer 온도가 미리 설정된 초과 온도를 넘는 과승온이 생기고 있는 상태를 도 2의 (c)의 P로 나타낸다. 도 2의 (c)는 Outer 온도의 일례를 나타내는 그래프이며, 그래프의 횡축은 시간, 종축은 온도이다. 히터(42)의 파워의 상승에 의해 30분 이일의 때에 Outer 온도가 초과 온도(1050℃)를 넘었다. 초과 온도를 넘으면 안전상의 문제로부터 히터(42)를 셧다운하여, 히터(42)에 의한 가열을 정지한다.
이상에 설명한 Outer 온도의 과승온을 회피하기 위해, Inner 온도를 천천히 상승시키도록 히터(42)의 파워를 제어하는 것도 생각된다. 그렇게 하면 Outer 온도는 초과 온도를 넘지 않지만, Inner 온도가 목표 온도까지 상승하기 위한 시간이 걸려, 생산성이 저하한다. 생산성을 고려하여, 과승온을 회피하면서 Inner 온도를 될 수 있는 한 빠르게 목표 온도까지 상승시키고자 한다.
그래서, 본 개시의 성막 장치의 제어 방법에서는, Outer 온도의 과승온을 회피하면서 Inner 온도를 원활하게 상승시키는 제어 방법을 제안한다. 도 3에 제1 실시형태에 따른 열처리 장치(1)의 제어 방법의 개요를 나타낸다. 반사율이 높은 금속막을 성막하는 프로세스에서는, 도 3의 (a)의 Inner 온도(TI)는 천천히 상승하기 때문에 목표 온도에 근접할 때까지 시간이 걸린다. 따라서, 도 3의 (b)의 곡선(P1)으로 나타내는 바와 같이 히터(42)의 파워를 상승시킨 결과, 도 3의 (a)의 Outer 온도(TO1)가 온도 상한값을 넘어 버린다(Outer 온도의 과승온).
그래서, 본 개시의 제어 방법에서는, 도 3에 나타내는 현재의 시각(TC1)으로부터 소정 시간 앞의 시각(TC2)에 있어서의 Outer 온도를 예측한다. 그리고, Outer 온도의 예측값이 온도 상한값을 넘는 경우, 도 3의 (b)의 곡선(P1)으로 나타내는 바와 같이 이대로 파워를 상승시키면 도 3의 (a)의 곡선(TO1)으로 나타내는 바와 같이 소정 시간 경과 후에 Outer 온도가 온도 상한값을 넘는다고 예측할 수 있다. 이 경우, 도 3의 (b)의 곡선(P2)으로 나타내는 바와 같이 현재의 시각(TC1)에 히터(42)의 파워를 억제하기 시작한다. 온도 상한값은 히터(42)를 셧다운시키는 초과 온도보다 낮은 온도로 설정된다. 이에 의해, 도 3의 (a)의 온도 곡선(TO2)으로 나타내는 바와 같이 Outer 온도의 과승온을 회피할 수 있다. 이 결과, Outer 온도가 온도 상한값을 넘어 히터(42)를 셧다운하는 일없이 생산성의 저하를 방지할 수 있다. 이하, 성막 장치에 있어서의 온도 제어의 지연을 발생시키지 않고 처리 용기(10) 내의 과승온을 회피할 수 있는 열처리 장치(1)의 제어 방법에 대해서 제1 실시형태, 제2 실시형태의 순서로 설명한다. 열처리 장치(1)의 제어 방법은 제어 장치(90)에 의해 실행된다. 따라서, 제어 장치(90)의 구성 및 동작을 설명함으로써 열처리 장치(1)의 제어 방법에 대해서 설명한다.
<제1 실시형태>
[제어 장치]
제1 실시형태에 따른 열처리 장치(1)의 제어 장치(90)의 구성 및 동작의 개요에 대해서, 도 4를 참조하면서 설명한다. 도 4는 제1 실시형태에 따른 열처리 장치의 제어 장치의 일례를 나타내는 도면이다. 제어 장치(90)는, 제어부(80) 및 예측부(92)의 각 기능부를 갖는다. 제어부(80)는 레시피에 설정되어 있는 설정 온도 및 램프 레이트를 취득한다. 제어부(80)는, 설정 온도 및 램프 레이트, 상태 변수, 파워 및 Inner 온도를 예측부(92)에 출력하고, 예측부(92)는 이들 정보를 입력한다. 상태 변수는, Inner 온도 및 Outer 온도의 정보이고, 파워는, 히터(42)에의 지령값(제어 입력값)으로서 히터(42)에 부여한 파워의 정보이다. 예측부(92)는, 이들 정보에 기초하여 예측 모델에 따라 소정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값을 산출한다. 예측부(92)는, 이들 정보에 기초하여 소정 시간 앞의 Inner 온도의 예측값을 산출하는 것도 가능하다.
예측부(92)는 산출한 Outer 온도의 예측값에 기초하여, 소정 시간 앞에 Outer 온도가 온도 상한값을 넘는다고 예측한 경우, 과승온 플래그에 1을 설정한다. 과승온 플래그의 초기값은 0이다. 예측부(92)는 제어부(80)에 과승온 플래그를 출력하고, 제어부(80)는 과승온 플래그를 입력한다. 제어부(80)는, 예측부(92)가 설정한 과승온 플래그에 기초하여, 제어부(80)가 산출한 제1 파워 또는 제2 파워 중 어느 하나를 지령값으로서 히터(42)에 출력한다. 제어부(80)가 산출하는 제1 파워 및 제2 파워에 대해서는 후술한다.
온도 센서(60)의 측온부는, Inner 온도인 TI 온도를 측정하여, 제어부(80)에 피드백한다. 온도 센서(70)의 측온부는, Outer 온도인 TO 온도를 측정하여, 제어부(80)에 피드백한다. 예측부(92)의 예측은, 예컨대 4초마다 1분 앞의 Outer 온도의 예측값을 산출하는 것을 반복한다. 온도 센서(60, 70)의 측온부는 설정된 모니터 주기로 TI 온도 및 TO 온도를 측정하는 것을 반복하여, 제어부(80)에 피드백한다. 단, 4초는 소정 주기의 일례이고, 1분 앞의 Outer 온도의 예측값은 소정 시간 앞의 Outer 온도의 예측의 일례이며, 이에 한정되지 않는다. 제어 장치(90)의 제어부(도 5의 취득부(84), Inner 제어부(81), Outer 제어부(82), 출력부(83)) 및 예측부(92)의 각 부는, 소정 주기로 상기 각 부의 동작을 반복해서 행한다.
(제어부)
제어부(80)의 구성 및 일동작예에 대해서, 도 4 및 도 5를 참조하면서 설명한다. 도 5에 제1 실시형태에 따른 제어부(80)를 나타낸다. 제어부(80)는, Inner 제어부(81), Outer 제어부(82), 출력부(83) 및 취득부(84)를 갖는다. 취득부(84)는, 열처리 장치(1)에 마련된 관형 부재(2) 내의 온도 센서(60)가 측정한 Inner 온도(TI 온도)를 취득한다(단계 S1). 또한, 취득부(84)는, 관형 부재(2) 밖으로서 처리 용기(10) 내의 온도 센서(70)가 측정한 Outer 온도(TO 온도)를 취득한다(단계 S2). 측정한 Inner 온도 및 Outer 온도의 취득 타이밍은, 소정 주기(예컨대 4초)에 대응한 주기로 반복해서 취득하여도 좋고, 그 이외의 타이밍에 반복해서 취득하여도 좋다.
Inner 제어부(81)는, 취득한 Inner 온도의 측정값을 입력한다(단계 S3). 또한, Inner 제어부(81)는, 설정 온도 및 램프 레이트를 입력한다(단계 S4). 어떤 시각(현시각)의 온도 200℃에 대하여 Inner 온도를 온도 300℃로 제어하고자 할 때, 설정 온도로 200℃, 300℃가 설정된다. 램프 레이트는, 설정 온도로 설정된 200℃로부터 300℃까지 온도 제어할 때에 어느 정도의 기울기로 온도를 상승시킬지가 설정된다. Inner 제어부(81)는, 설정 온도 및 램프 레이트에 기초하여 목표 온도를 설정한다(단계 S5). Inner 제어부(81)는, 생성한 목표 온도에 추종하도록, 즉, 입력한 Inner 온도가 목표 온도에 가까워지도록 히터(42)에 출력하는 파워(ui)를 산출한다(Inner 제어: 단계 S6). 파워(ui)는 「제1 파워」의 일례이다. Inner 제어부(81)는, 제1 온도가 목표 온도에 가까워지도록 처리 용기(10) 내에 배치된 히터(42)에 출력하는 제1 파워를 산출하는 제1 제어부의 일례이다.
Outer 제어부(82)는, 취득한 Outer 온도의 측정값을 입력한다(단계 S7). 온도 상한값은, 후술하는 제어 장치(90)의 RAM에 미리 기억되어도 좋다. 온도 상한값은 초과 온도보다 낮은 온도로 설정된다. 초과 온도는 예컨대 1050℃이며, 초과 온도를 넘으면, 제어 장치(90)는, 안전상의 문제로부터 히터(42)를 셧다운하여, 히터(42)에 의한 가열을 정지한다. 온도 상한값은, 초과 온도보다도 낮은 예컨대 950℃로 설정된다.
Outer 제어부(82)는, 입력한 Outer 온도가 온도 상한값에 추종하도록 히터(42)에 출력하는 파워(uo)를 산출한다(Outer 제어: 단계 S8). 파워(uo)는 「제2 파워」의 일례이다. Outer 제어부(82)는, 제2 온도가 온도 상한값에 가까워지도록 히터(42)에 출력하는 제2 파워를 산출하는 제2 제어부의 일례이다.
출력부(83)는, 예측부(92)가 설정한 과승온 플래그를 입력하고(단계 S9), 과승온 플래그에 기초하여 파워(ui) 또는 파워(uo) 중 어느 하나를 지령값(제어 입력값)으로서 히터(42)에 출력한다(단계 S10). 출력부(83)는, Outer 온도의 예측값이 온도 상한값 미만인 경우, 0으로 설정된 과승온 플래그에 기초하여, 파워(ui)를 출력한다. 출력부(83)는, Outer 온도의 예측값이 온도 상한값 이상인 경우, 1로 설정된 과승온 플래그에 기초하여, 파워(uo)를 출력한다. 이에 의해, 히터(42)는, 파워(ui) 또는 파워(uo)를 지령값(제어 입력값)으로 하여 제어된다(단계 S11).
(예측부)
예측부(92)의 구성 및 동작예 1∼3의 제어 방법에 대해서, 도 6∼도 8을 참조하면서 설명한다. 도 6은 제1 실시형태에 따른 제어 장치(90)의 예측부(92)의 구성 및 동작예 1을 나타내는 도면이다. 도 7은 제1 실시형태에 따른 제어 장치(90)의 예측부(92)의 구성 및 동작예 2를 나타내는 도면이다. 도 8은 제1 실시형태에 따른 제어 장치(90)의 예측부(92)의 구성 및 동작예 3을 나타내는 도면이다.
(예측부의 동작예 1)
도 6에 나타내는 예측부(92)는, Inner 예측 제어부(93), 시뮬레이션 실행부(94) 및 플래그 설정부(95)를 갖고, 소정 주기마다 실행된다. 시뮬레이션 실행부(94)는, 제어부(80)로부터 상태 변수를 입력한다(단계 S21). Inner 예측 제어부(93)는, 제어부(80)로부터 설정 온도, 램프 레이트, 파워를 입력한다(단계 S22). 상태 변수는, 적어도 Outer 온도의 정보(초기값을 포함함)를 포함하며, Inner 온도의 정보를 더 포함하여도 좋다. 파워는, 히터(42)에 출력한 파워의 정보(초기값을 포함함)이다.
시뮬레이션 실행부(94)는, 또한 Inner 예측 제어부(93)가 예측한 파워(u)를 예측 모델에 입력한다(단계 S23). 시뮬레이션 실행부(94)는, 소정 시간을 반복 횟수 n(n≥1)으로 분할한 일정 시간분의 Outer 온도 및 Inner 온도를 예측한다(단계 S24). 단계 S24를 반복 횟수 n회 계산함으로써 소정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값 및 소정 시간 앞의 Inner 온도의 예측값을 산출한다. 즉, 시뮬레이션 실행부(94)가 예측 모델을 이용하여 산출하는 온도 Y에는, 일정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값(TO 예측값) 및 일정 시간 앞의 Inner 온도의 예측값(TI 예측값)이 포함된다.
시뮬레이션 실행부(94)는, 일정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값 및 Inner 온도의 예측값을 산출한다. 그 때문에, 시뮬레이션 실행부(94)는, 일정 시간 앞의 상태 변수를 산출하는 식 (1)에 사용되는 정수 A 및 정수 B와, 일정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값 및 일정 시간 앞의 Inner 온도의 예측값을 산출하는 식 (2)에 사용되는 정수 C를 포함하는 예측 모델을 미리 준비해 둔다. 식 (1)의 정수 A, B, C는, 일정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값을 산출하기 위한 식 (1)과 일정 시간 앞의 Inner 온도의 예측값을 산출하기 위한 식 (1)에서 달라도 좋다.
일정 시간 앞의 상태 변수는 식 (1)에 의해 산출된다.
X(k+1)=AX(k)+Bu(k)···(1)
Outer 온도는 식 (2)에 의해 산출된다.
Y(k)=CX(k)···(2)
k는 시뮬레이션 실행부(94)의 계산 횟수를 나타내고, k=0일 때 현시각을 나타낸다. k=n일 때, 소정 시간 앞을 나타낸다. k가 1 증가하는 것은, 일정 시간분 진행되는 것을 나타낸다. 예컨대 소정 시간 앞을 1분, 반복 횟수 n을 15로 한 경우, k+1은 k로부터 일정 시간 4초가 진행된 시간을 나타낸다. Outer 온도의 예측값(TO 예측값)을 산출하는 경우, 식 (1)의 u에는, Inner 제어부(81)가 실행하는 Inner 제어에 의해 히터(42)에 출력하는 파워의 정보를 입력한다. 또한, 식 (1)의 u에는, 초기 시간 k=0일 때, 입력한 상기 파워의 정보가 설정된다. 식 (1)에 의해 산출한 X(k+1)을 식 (2)에 입력함으로써, 일정 시간 앞의 Outer 온도가 몇 도가 될지를 예측하여, Outer 온도의 예측값을 산출한다. Inner 온도의 예측값(TI 예측값)의 산출에 대해서는 후술한다.
예측 모델은, 식 (1) 및 식 (2)에 의해 정의된다. 시뮬레이션 실행부(94)는, 식 (1) 및 식 (2)의 예측 모델에 상태 변수 X, 파워의 정보를 입력하여 산출된 일정 시간 앞 (k+1)의 상태 변수 X(k+1)을 식 (2)에 입력한다. 식 (2)의 Y(k+1)=CX(k+1)에 의해 일정 시간 앞의 Outer 온도 Y(k+1)을 산출한다. Outer 온도의 Y(k+1)은 Outer 온도의 예측값(TO 예측값)이다.
동작예 1에서는, 예측 모델은, 식 (1) 및 식 (2)에 따라 Inner 온도를 예측할 수 있다. 동작예 1에서는, 시뮬레이션 실행부(94)는, 일정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값뿐만 아니라, 일정 시간 앞의 Inner 온도의 예측값을 산출한다(단계 S24). Inner 온도의 Y(k+1)은 Inner 온도의 예측값(TI 예측값)이다.
시뮬레이션 실행부(94)가 산출한 Inner 온도의 예측값(TI 예측값)은, 일정 시간 앞의 Inner 온도의 상태 변수 X(k+1)과 함께 Inner 예측 제어부(93)에 입력된다(단계 S25). Inner 예측 제어부(93)는, 또한 설정 온도, 램프 레이트를 입력한다(단계 S22). 동작예 1에서는, Inner 예측 제어부(93)는, 설정 온도, 램프 레이트에 기초하여, 목표 온도를 설정한다. Inner 예측 제어부(93)는, TI 예측값, 일정 시간 앞의 Inner 온도의 상태 변수 X(k+1)에 기초하여, TI 예측값이 목표 온도에 가까워지도록 히터(42)에 출력하는 파워를 산출한다(단계 S26).
Inner 예측 제어부(93)는, 산출한 파워를 출력하고, 시뮬레이션 실행부(94)는, 예측 모델의 식 (1)의 u에 산출한 파워를 입력한다(단계 S23). 시뮬레이션 실행부(94)는, 입력된 파워를 식 (1)에 나타내는 예측 모델에 입력하여, 일정 시간 앞 (k+1)의 상태 변수 X(k+1)을 산출한다. 식 (1)에 의해 산출한 X(k+1)을 식 (2)에 입력함으로써, 일정 시간 앞의 Inner 온도가 몇 도가 될지를 예측하여, Inner 온도의 예측값을 산출한다(단계 S24). 이와 같이 동작예 1에서는, 식 (2)에 나타내는 Y(k+1)은, 일정 시간 앞의 Inner 온도의 예측값 및 일정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값을 포함한다.
Inner 예측 제어부(93) 및 시뮬레이션 실행부(94)는, 예컨대 4초마다 1분 앞까지의 Inner 온도의 예측값 및 Outer 온도의 예측값을 산출하는 공정을 반복한다. 단, 반복 주기는 4초마다에 한정되지 않고, 미리 정해진 소정 주기여도 좋다. 또한, 예측값의 산출은, 그 시점으로부터 1분 앞에 한정되지 않고, 소정 시간 앞이어도 좋다. 플래그 설정부(95)는, 소정 주기로 과승온 플래그의 설정을 갱신한다.
플래그 설정부(95)는, 시뮬레이션 실행부(94)가 산출한 Outer 온도의 예측값(TO 예측값)이 온도 상한값 이상인 경우, 과승온 플래그를 1로 설정한다(단계 S27). Outer 온도의 예측값이 온도 상한값 미만인 경우, 과승온 플래그는 초기값 0인 채로 한다. 단계 S27에 있어서의 판정은, k=n일 때에 시뮬레이션 실행부(94)가 산출한 Outer 온도의 예측값(TO 예측값)이 온도 상한값 이상인 경우, 과승온 플래그를 1로 설정한다. 혹은, 단계 S27에 있어서의 판정은, k=1∼n일 때에 각각 시뮬레이션 실행부(94)가 산출한 Outer 온도의 예측값(TO 예측값)이 온도 상한값 이상인 경우, 과승온 플래그를 1로 설정하여도 좋다. 과승온 플래그는 제어부(80)의 출력부(83)에 입력된다(도 5의 단계 S9).
또한, 전술한 바와 같이 출력부(83)는, 예측부(92)가 설정한 과승온 플래그에 따라, 제어부(80)의 Inner 제어부(81)가 산출한 제1 파워 또는 Outer 제어부(82)가 산출한 제2 파워 중 어느 하나를 열처리 장치(1)의 히터(42)에 출력한다.
(예측부의 동작예 2)
도 7에 나타내는 예측부(92)는, Inner 예측 제어부(93)를 갖지 않는 점에서 도 6에 나타내는 예측부(92)와 다르다. 예측부(92)는, 시뮬레이션 실행부(94) 및 플래그 설정부(95)를 갖는다. 시뮬레이션 실행부(94)는, 제어부(80)로부터 취득한 상태 변수를 초기값으로서 예측 모델에 입력하고(단계 S31), 히터(42)에 출력하는 파워를 항상 예측 모델에 입력한다(단계 S32). 시뮬레이션 실행부(94)는, 예측 모델에 기초하여, 취득한 Outer 온도의 측정값으로부터 소정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값(TO 예측값)을 산출한다(단계 S33). 플래그 설정부(95)는, 시뮬레이션 실행부(94)가 산출한 Outer 온도의 예측값(TO 예측값)이 온도 상한값 이상인 경우, 과승온 플래그를 1로 설정한다(단계 S34). Outer 온도의 예측값이 온도 상한값 미만인 경우, 과승온 플래그는 초기값 0인 채로 한다. 과승온 플래그는 제어부(80)의 출력부(83)에 입력된다(도 5의 단계 S9).
시뮬레이션 실행부(94)가 사용하는 예측 모델은, 도 6에 나타내는 시뮬레이션 실행부(94)가 사용하는 예측 모델(식 (1) 및 식 (2))과 동일하다. 단, 예측부(92)의 동작예 2에서는, 예측 모델에 의해 Outer 온도의 예측값(TO 예측값)을 산출하고, 예측 모델에 의해 Inner 온도의 예측값(TI 예측값)은 산출하지 않는다. 따라서, 도 6에 나타내는 Inner 예측 제어부(93)의 동작을 생략할 수 있다. 따라서, 예측부(92)의 동작예 2에서는, 도 6에 나타내는 예측부(92)와 비교하여 처리의 부하를 경감할 수 있다. 또한, 예측부(92)의 동작예 2, 3(도 8 참조)에서는, 시뮬레이션 실행부(94)는, 예컨대 4초마다 등 소정 주기로, 1분 앞 등 소정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값을 산출하는 공정을 반복한다. 플래그 설정부(95)는, 소정 주기로 과승온 플래그의 설정을 갱신한다.
(예측부의 동작예 3)
동작예 3에서는, 도 8에 나타내는 예측 모델의 식 (1)의 파워(u)의 항의 정수 B가 0인 점에서 도 7에 나타내는 예측 모델의 식 (1)과 다르고, 그 외의 점에서는 도 7에 나타내는 동작예 2와 동일한 구성이다. 즉, 시뮬레이션 실행부(94)는, 제어부(80)로부터 취득한 상태 변수를 초기값으로서 예측 모델에 입력한다(단계 S31). 히터(42)에 출력하는 파워를 항상 예측 모델에 입력한다(단계 S32). 시뮬레이션 실행부(94)는, 예측 모델의 식 (1)에 기초하여, 파워 정보는 사용하지 않고 상태 변수를 갱신하여, 식 (2)에 의해 일정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값을 산출한다(단계 S35).
즉, 시뮬레이션 실행부(94)는, 식 (1) 및 식 (2)의 예측 모델에 기초하여, 일정 시간 앞의 Outer 온도 Y(k+1)을 산출할 때에, 파워의 항은 0이 되기 때문에, 입력한 파워의 초기값을 사용할 필요가 없다. 이에 의해, 도 8에 나타내는 예측부(92)에서는, 상태 변수만으로 일정 시간 앞의 Outer 온도의 예측값을 산출할 수 있다. 플래그 설정부(95)의 동작은, 동작예 1, 2와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
[시뮬레이션 결과]
도 9∼도 11은 비교예 1, 2 및 제1 실시형태에 따른 열처리 장치(1)의 제어 방법(예측부의 동작예 3의 경우)에 대해서 행한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 9는 비교예 1에 따른 제어에 의한 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 비교예 1은 Inner 제어부(81)의 제어만으로 히터(42)의 파워를 제어함으로써 Outer 영역으로부터 Inner 영역에 열을 전하여, Inner 온도를 목표 온도로 상승시키는 열처리 장치(1)의 제어 방법이다.
도 10은 비교예 2에 따른 제어에 의한 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 비교예 2는 Outer 온도가 1050℃를 넘지 않도록 히터(42)의 파워를 천천히 상승시키는 제어 방법이다.
도 11은 제1 실시형태에 따른 제어 장치(90)에 의한 열처리 장치(1)의 제어 방법의 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 제1 실시형태는, 예측부(92)의 동작예 3(도 8)의 경우의 열처리 장치(1)의 제어 방법이다. 또한, 제1 실시형태의 제어부(80)의 동작은, 도 5에 나타내는 바와 같다.
시뮬레이션 조건으로서는, 어느 경우도 열처리 장치(1)에 있어서 몰리브덴막을 성막하는 경우의 예측 모델을 작성하여, 시뮬레이션을 행하였다. 또한, Inner 온도를 400℃로부터 540℃로 올리도록 레시피(설정 온도 및 램프 레이트)를 설정하였다. 비교예 1, 2 및 제1 실시형태 모두 목표 온도에 Inner 온도가 가까워지도록 히터(42)의 파워를 제어하였다. 또한, 초과 온도는 1050℃, 온도 상한값은 950℃로 설정하였다.
도 9의 (a), 도 10의 (a), 도 11의 (a)의 횡축은 프로세스 시간, 종축은 Inner 온도를 나타낸다. 도 9의 (b), 도 10의 (b), 도 11의 (b)의 횡축은 프로세스 시간, 종축은 Outer 온도를 나타낸다. 도 9의 (c), 도 10의 (c), 도 11의 (c)의 횡축은 프로세스 시간, 종축은 히터(42)에 출력한 파워를 나타낸다.
이 결과, 비교예 1의 경우, 도 9의 (a)에 나타내는 실선의 Inner 온도는, Inner 제어부(81)의 제어만으로 점선의 목표 온도에 수속되도록 제어한다. 그러나, 관형 부재(2)의 Inner 영역에 부착된 몰리브덴막의 반사에 의해 히터(42)가 배치된 Outer 영역으로부터 Inner 영역에의 열전달이 나쁘다. 그래서, Inner 온도가 빠르게 목표 온도에 수속되도록 도 9의 (c)에 나타내는 바와 같이, 히터(42)에 출력하는 파워를 크게 제어한다. 이 때문에, 도 9의 (b)에 나타내는 Outer 온도는, 초과 온도인 1050℃를 넘어, 안전상의 문제로부터 히터(42)를 셧다운하여, 히터(42)에 의한 가열을 정지한다.
비교예 2의 경우, Outer 온도가 1050℃를 넘지 않도록 히터(42)의 파워를 천천히 상승시킨다. 이 때문에, 도 10의 (c)에 나타내는 바와 같이, 히터(42)에 출력하는 파워는, 도 9의 (c)에 나타내는 파워와 비교하여 서서히 상승하도록 제어되고 있다. 이 결과, 비교예 2의 경우, 도 10의 (b)에 나타내는 Outer 온도는, 초과 온도인 1050℃를 넘지 않는다. 그러나, 도 10의 (a)에 나타내는 실선의 Inner 온도는, 도 9의 (a)에 나타내는 실선의 Inner 온도와 비교하여, 점선의 목표 온도에 수속될 때까지 시간이 필요하다. 이에 의해, 생산성의 저하가 생긴다.
본 실시형태의 경우, 초기 단계에서는 도 11의 (a)에 나타내는 실선의 Inner 온도가 목표 온도에 수속되도록 제어한다. 또한, 도 11의 (b)에 나타내는 바와 같이 소정 주기로 Outer 온도에 대하여 현시점으로부터 소정 시간 앞의 시각에 있어서의 Outer 온도를 예측하는 공정을 반복한다. 그리고, Outer 온도의 예측값이 온도 상한값을 넘는 경우, 소정 시간 경과 후에 Outer 온도가 온도 상한값을 넘는다고 예측하여, 도 11의 (c)에 나타내는 바와 같이, Outer 온도가 온도 상한값을 넘지 않도록 히터(42)의 파워를 억제하도록 제어한다. 이에 의해, Outer 온도의 과승온을 회피할 수 있다. 이 결과, 도 11의 (b)에 나타내는 바와 같이 Outer 온도가 초과 온도를 넘는 것을 회피하면서, 도 11의 (a)에 나타내는 바와 같이 Inner 온도가 목표 온도에 수속되기까지의 시간이 도 9의 (a)에 나타내는 비교예 1과 동등 정도로 빨라, 생산성의 저하를 방지할 수 있다. 이상으로부터, 제1 실시형태에 따른 열처리 장치(1)의 제어 방법에서는, 열처리 장치(1)에 있어서의 온도 제어의 지연을 발생시키지 않고 처리 용기(10) 내의 과승온을 회피할 수 있다.
<제2 실시형태>
[제어 장치]
다음에, 예측 모델을 사용하지 않는 경우의 제2 실시형태의 제어 장치(90)의 온도 제어에 대해서, 도 12를 참조하면서 설명한다. 도 12는 제2 실시형태에 따른 제어 장치(90)의 제어부(80)를 나타낸다. 제2 실시형태에 따른 제어 장치(90)는 예측부를 갖지 않는다.
제어부(80)는, 취득부(84), Inner 제어부(81), Outer 제어부(82) 및 출력부(83)를 갖는다. 취득부(84)는, 관형 부재(2) 내의 온도 센서(60)가 측정한 Inner 온도(TI 온도)와, 관형 부재(2) 밖으로서 처리 용기(10) 내의 온도 센서(70)가 측정한 Outer 온도(TO 온도)를 취득한다(단계 S1, S2). 측정한 Inner 온도 및 Outer 온도의 취득 타이밍은, 소정 주기(예컨대 4초)에 대응한 타이밍에 반복해서 취득하여도 좋고, 소정 주기와 관계하지 않는 타이밍에 반복해서 취득하여도 좋다. 도 12에 나타내는 단계 번호는, 도 5에 나타내는 단계 번호와 동일한 경우, 동일 처리를 나타낸다.
Inner 제어부(81)는, Inner 온도의 측정값을 입력하고(단계 S3), 설정 온도 및 램프 레이트를 입력한다(단계 S4). Inner 제어부(81)는, 설정 온도 및 램프 레이트에 목표 온도를 생성한다(단계 S5). Inner 제어부(81)는, 취득한 Inner 온도의 측정값에 기초하여 Inner 온도가 목표 온도에 가까워지도록 처리 용기(10) 내에 배치된 히터(42)에 출력하는 파워(ui)를 산출한다(단계 S6). 파워(ui)는, 제1 파워의 일례이다.
Outer 제어부(82)는, Outer 온도의 측정값을 입력하고(단계 S7), 취득한 Outer 온도의 측정값에 기초하여 Outer 온도가 온도 상한값에 가까워지도록 히터(42)에 출력하는 파워(uo)를 산출한다(단계 S8). 파워(uo)는, 제2 파워의 일례이다.
출력부(83)는, 파워(ui)와 파워(uo)의 대소 관계에 기초하여 파워(ui) 또는 파워(uo)를 히터(42)에 출력한다(단계 S41). 출력부(83)는, 파워(ui)가 파워(uo)보다 작은 경우, 파워(ui)를 히터(42)에의 제어 입력값(파워(u))으로서 히터(42)에 출력한다. 출력부(83)는, 파워(ui)가 파워(uo) 이상인 경우, 파워(uo)를 히터(42)에의 제어 입력값(파워(u))으로서 히터(42)에 출력한다(단계 S42).
또한, 취득부(84), Inner 제어부(81), Outer 제어부(82) 및 출력부(83)의 각 부는, 소정 주기로 각 부의 동작을 반복해서 행한다.
예컨대 도 12의 그래프에 파워(ui) 및 파워(uo)의 일례를 나타낸다. 이에 대하여, 도 12에 나타내는 히터(42)에 출력되는 파워(u)(제어 입력값)는, 파워(ui)와 파워(uo) 중 어느 쪽인가 낮은 쪽으로 전환한다.
[시뮬레이션 결과]
도 13은 비교예 1, 2 및 제2 실시형태에 따른 열처리 장치(1)의 제어 방법(예측부가 없는 경우)에 대해서 행한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 13은 비교예 1, 2 및 제2 실시형태에 따른 제어 장치(90)에 의한 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면이다. 비교예 1, 2는, 제1 실시형태에 있어서 설명한 제어 방법과 동일이다.
즉, 비교예 1은 히터(42)의 파워를 제어함으로써 Outer 영역으로부터 Inner 영역에 열을 전하여, Inner 온도를 목표 온도로 상승시키는 열처리 장치(1)의 제어 방법이다. 비교예 2는 Outer 온도가 1050℃를 넘지 않도록 히터(42)의 파워를 천천히 상승시키는 열처리 장치(1)의 제어 방법이다. 본 실시형태의 경우, 파워(ui)와 파워(uo) 중 어느 쪽인가 낮은 쪽으로 히터(42)의 파워를 제어하는 열처리 장치(1)의 제어 방법이다.
도 13의 (a)의 횡축은 프로세스 시간, 종축은 Inner 온도를 나타낸다. 도 13의 (b)의 횡축은 프로세스 시간, 종축은 Outer 온도를 나타낸다. 도 13의 (c)의 횡축은 프로세스 시간, 종축은 히터(42)에 출력한 파워를 나타낸다.
도 13의 (a)∼(c)의 선(D)으로 나타내는 비교예 1의 제어 방법으로서는, 도 13의 (a) 및 (c)의 선(D)으로 나타내는 바와 같이 Inner 온도가 빠르게 점선의 목표 온도에 수속되도록 히터(42)의 파워를 상승시켜 제어한다. 이 때문에, 도 13의 (b)의 선(D)으로 나타내는 바와 같이 Outer 온도가 초과 온도의 1050℃를 넘어, 히터(42)의 정지가 생긴다.
도 13의 (a)∼(c)의 선(E)으로 나타내는 비교예 2의 제어 방법에서는, 도 13의 (a) 및 (c)의 선(E)으로 나타내는 바와 같이 Inner 온도를 천천히 상승시키도록 히터(42)의 파워를 서서히 상승시켜 제어한다. 이 때문에, 도 13의 (b)의 선(E)으로 나타내는 바와 같이 Outer 온도는 초과 온도의 1050℃를 넘지 않지만, 도 13의 (a)의 선(E)으로 나타내는 바와 같이 목표 온도에 수속될 때까지 시간이 필요하여, 생산성의 저하가 생긴다.
도 13의 (a)∼(c)의 선(F)으로 나타내는 제2 실시형태의 제어 방법에서는, 도 13의 (c)의 선(F)으로 나타내는 바와 같이, 히터(42)에 출력되는 파워(u)를 파워(ui)와 파워(uo) 중 어느 쪽인가 낮은 쪽으로 전환하여 제어한다. 이 결과, 도 13의 (b)의 선(F)으로 나타내는 바와 같이 Outer 온도가 초과 온도의 1050℃를 넘는 것을 회피하면서, 도 13의 (a)의 선(F)으로 나타내는 바와 같이 Inner 온도가 목표 온도에 수속되기까지의 시간이 빨라, 생산성의 저하를 방지할 수 있다.
제2 실시형태에 따른 열처리 장치(1)의 제어 방법에 따르면, 본 제어의 초기 단계에서는 Outer 온도와 온도 상한값의 차가 크기 때문에, Outer 제어부(82)는 파워(uo)를 크게 하여 제어한다. 이에 대하여 Inner 제어부(81)는 목표 온도에 따라 파워(ui)를 제어하기 때문에, 목표 온도와 Inner 온도의 차분은 작기 때문에 Inner 제어에서는 파워(ui)를 작게 하여 제어한다. 이 결과, 본 제어의 초기 단계에서는 파워(ui)가 히터(42)에 출력된다.
Inner 온도의 승온이 시작되면 Inner 제어부(81)에 의해 제어하는 파워(ui)는, 급격히 커진다. 한편, Outer 제어부(82)의 파워(uo)는, Outer 온도가 온도 상한값에 근접하면 파워(uo)를 내린다.
이에 의해, 파워(ui)와 파워(uo)의 대소 관계가 교체되며, 파워(uo)가 히터(42)에 출력된다. 이와 같이, 본 제어의 초기 단계에서는 파워(ui), 도중부터 파워(uo)로 전환하여 히터(42)에 어느 하나의 파워가 출력됨으로써, 도중부터 파워(uo)를 사용하여 Outer 온도가 온도 상한값에 가까워지도록 제어되도록 전환한다.
그 후, 서서히 파워(ui)가 작아지기 때문에, 본 제어의 최종 단계에서는, 파워(ui)와 파워(uo)의 대소 관계가 재차 교체되어, 마지막에는 파워(ui)로 전환하여 히터(42)에 출력된다.
이에 의해, 제2 실시형태에 따른 열처리 장치(1)의 제어 방법에 따르면, Outer 온도가 초과 온도를 넘는 것을 회피하면서, Inner 온도가 설정 온도에 수속되기까지의 시간이 빨라, 생산성의 저하를 방지할 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 제1 및 제2 실시형태에 따른 성막 장치의 제어 방법에 따르면, 처리 용기와 관형 부재의 이중 구조를 갖는 성막 장치에 있어서도, 처리 용기 내의 과승온을 회피할 수 있다. 또한, Inner 온도가 목표 온도에 수속되기까지의 시간이 빨라, 생산성의 저하를 방지할 수 있다.
제1 및 제2 실시형태에 따른 성막 장치의 제어 방법은, 도 1의 열처리 장치(1)와 같은 처리 용기(10)와 관형 부재(2)의 이중 구조를 갖고, 관형 부재(2) 내에 수용된 웨이퍼(W)에 몰리브덴막 등의 반사율이 1에 가까운 금속막을 성막하는 성막 장치에 적합하다. 몰리브덴막 이외의 예컨대 텅스텐, 니오븀 등의 금속막의 형성 프로세스에도 이용 가능하다.
마지막으로 본 개시의 성막 장치의 제어 방법을 실행하는 제어 장치(90)의 하드웨어 구성의 일례에 대해서, 도 14를 참조하면서 설명한다. 제어 장치(90)는, CPU(Central Processing Unit)(101), ROM(Read Only Memory)(102), RAM(Random Access Memory)(103), I/O 포트(104), 조작 패널(105), HDD(106)(Hard Disk Drive)를 갖는다. 각 부는 버스(B)에 의해 접속되어 있다.
CPU(101)는, RAM(103)에 판독된 각종 프로그램이나, 성막 처리, 클리닝 처리 등의 처리의 순서를 규정한 레시피에 기초하여, 열처리 장치(1) 등의 성막 장치의 각종 동작 및 성막 처리, 클리닝 처리 등의 처리를 제어한다. 프로그램에는, 제1 및 제2 실시형태에 따른 성막 장치의 제어 방법을 실행하는 프로그램이 포함된다. CPU(101)는, RAM(103)에 판독된 이들 프로그램에 기초하여, 제1 및 제2 실시형태에 따른 성막 장치의 제어 방법을 실행한다.
ROM(102)은, EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 플래시 메모리, 하드 디스크 등에 의해 구성되며, CPU(101)의 프로그램이나 레시피 등을 기억하는 기억 매체이다. RAM(103)은, CPU(101)의 워크 에어리어 등으로서 기능한다.
I/O 포트(104)는, 온도, 압력, 가스 유량 등을 검출하는 각종 센서의 값을 성막 장치에 부착된 각종 센서로부터 취득하여, CPU(101)에 송신한다. 또한, I/O 포트(104)는, CPU(101)가 출력하는 제어 신호를 성막 장치의 각 부에 출력한다. 또한, I/O 포트(104)에는, 조작자(사용자)가 성막 장치를 조작하는 조작 패널(105)이 접속되어 있다.
HDD(106)는, 보조 기억 장치이며, 프로세스 레시피나 프로그램 등이 저장되어도 좋다. 또한, HDD(106)에는, 각종 센서가 계측한 측정값의 로그 정보가 저장되어도 좋다. 또한, 도 14는 제어 장치(90) 내의 제어부(80) 및/또는 예측부(92)의 하드웨어 구성으로 하여도 좋다.
이번에 개시된 실시형태에 따른 제어 방법 및 제어 장치는, 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 실시형태는, 첨부된 청구범위 및 그 주지를 일탈하는 일없이, 여러 가지 형태로 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시형태에 기재된 사항은, 모순되지 않는 범위에서 다른 구성도 취할 수 있고, 또한, 모순되지 않는 범위에서 조합할 수 있다.

Claims (11)

  1. 처리 용기와 상기 처리 용기 내의 관형 부재를 가지며, 상기 관형 부재 내에 수용된 기판에 막을 형성하는 성막 장치에 있어서의 제어 방법으로서,
    (a) 상기 관형 부재 내의 제1 온도 센서가 측정한 제1 온도를 취득하는 공정과,
    (b) 취득한 상기 제1 온도에 기초하여 제1 온도가 목표 온도에 가까워지도록 상기 처리 용기 내에 배치된 가열부에 출력하는 제1 파워를 산출하는 공정과,
    (c) 상기 관형 부재 밖으로서 상기 처리 용기 내의 제2 온도 센서가 측정한 제2 온도를 취득하는 공정과,
    (d) 취득한 상기 제2 온도에 기초하여 제2 온도가 온도 상한값에 가까워지도록 상기 가열부에 출력하는 제2 파워를 산출하는 공정과,
    (e) 적어도 제2 온도를 예측하는 예측 모델에 기초하여, 취득한 상기 제2 온도로부터 미리 정해진 시간 앞의 제2 온도의 예측값을 산출하는 공정과,
    (f) 산출한 상기 제2 온도의 예측값에 따라 상기 제1 파워 또는 상기 제2 파워 중 어느 하나를 상기 가열부에 출력하는 공정과,
    (g) 미리 정해진 주기로 상기 (a)∼(f)의 공정을 반복하는 공정
    을 포함하는 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (f)의 공정은, 상기 제2 온도의 예측값이 온도 상한값 미만인 경우, 상기 제1 파워를 상기 가열부에 출력하는 것인, 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (f)의 공정은, 상기 제2 온도의 예측값이 온도 상한값 이상인 경우, 상기 제2 파워를 상기 가열부에 출력하는 것인, 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예측 모델은, 상기 제1 온도를 예측하는 것이 가능하며, 상기 예측 모델에 상기 제2 온도의 정보를 포함하는 상태 변수를 입력하고,
    (h) 상기 예측 모델에 의해 산출된 제1 온도의 예측값이 상기 목표 온도에 가까워지도록 상기 가열부에 출력하는 파워를 산출하는 공정을 포함하고,
    (i) 산출한 상기 파워를 상기 예측 모델에 입력하고, 상기 예측 모델에 기초하여, 상기 제1 온도의 예측값으로부터 일정 시간 앞의 제1 온도의 예측값을 산출하고,
    상기 (e)는, 상기 (i)에서 산출한 상기 제1 온도의 예측값에 기초하여 상기 (h)에서 산출한 파워를 상기 예측 모델에 입력하고, 일정 시간 앞의 제2 온도의 예측값의 산출을 n(n≥1)회 반복하여 미리 정해진 시간 앞의 제2 온도의 예측값을 산출하는 것인, 제어 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (e)의 공정은, 상기 예측 모델에 상기 제2 온도의 정보를 포함하는 상태 변수와 파워의 정보를 입력하고, 취득한 상기 제2 온도로부터 상기 미리 정해진 시간 앞의 상기 제2 온도의 예측값을 산출하는 것인, 제어 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (e)의 공정은, 상기 예측 모델에 상기 제2 온도의 정보를 포함하는 상태 변수를 입력하고, 취득한 상기 제2 온도로부터 상기 미리 정해진 시간 앞의 상기 제2 온도의 예측값을 산출하는 것인, 제어 방법.
  7. 처리 용기와 상기 처리 용기 내의 관형 부재를 가지며, 상기 관형 부재 내에 수용된 기판에 막을 형성하는 성막 장치에 있어서의 제어 방법으로서,
    (a) 상기 관형 부재 내의 제1 온도 센서가 측정한 제1 온도를 취득하는 공정과,
    (b) 취득한 상기 제1 온도에 기초하여 제1 온도가 목표 온도에 가까워지도록 상기 처리 용기 내에 배치된 가열부에 출력하는 제1 파워를 산출하는 공정과,
    (c) 상기 관형 부재 밖으로서 상기 처리 용기 내의 제2 온도 센서가 측정한 제2 온도를 취득하는 공정과,
    (d) 취득한 상기 제2 온도에 기초하여 제2 온도가 온도 상한값에 가까워지도록 상기 가열부에 출력하는 제2 파워를 산출하는 공정과,
    (e) 상기 제1 파워와 상기 제2 파워의 대소 관계에 기초하여 상기 제1 파워 또는 상기 제2 파워 중 어느 하나를 상기 가열부에 출력하는 공정과,
    (f) 미리 정해진 주기로 상기 (a)∼(e)의 공정을 반복하는 공정
    을 포함하는 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 파워가 상기 제2 파워보다 작은 경우, 상기 제1 파워를 상기 가열부에 출력하고,
    상기 제1 파워가 상기 제2 파워 이상인 경우, 상기 제2 파워를 상기 가열부에 출력하는 것인, 제어 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성막 장치는, 금속막을 성막하는 것인, 제어 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 관형 부재는 기판을 수용하는 내관과 상기 내관을 둘러싸는 외관을 갖고,
    상기 내관의 표면 및 외관의 내면은 반사율이 높은 막으로 덮여 있는 것인, 제어 방법.
  11. 처리 용기와 상기 처리 용기 내의 관형 부재를 가지며, 상기 관형 부재 내에 수용된 기판에 막을 형성하는 성막 장치를 제어하는 제어 장치로서,
    상기 관형 부재 내의 제1 온도 센서가 측정한 제1 온도를 취득하고, 상기 관형 부재 밖으로서 상기 처리 용기 내의 제2 온도 센서가 측정한 제2 온도를 취득하는 취득부와,
    취득한 상기 제1 온도에 기초하여 제1 온도가 목표 온도에 가까워지도록 상기 처리 용기 내에 배치된 가열부에 출력하는 제1 파워를 산출하는 제1 제어부와,
    취득한 상기 제2 온도에 기초하여 제2 온도가 온도 상한값에 가까워지도록 상기 가열부에 파워를 출력하는 제2 파워를 산출하는 제2 제어부와,
    적어도 제2 온도를 예측하는 예측 모델에 기초하여, 취득한 상기 제2 온도로부터 미리 정해진 시간 앞의 제2 온도의 예측값을 산출하는 예측부와,
    산출한 상기 제2 온도의 예측값에 따라 상기 제1 파워 또는 상기 제2 파워 중 어느 하나를 상기 가열부에 출력하는 출력부를 갖고,
    상기 취득부, 상기 제1 제어부, 상기 제2 제어부, 상기 예측부, 상기 출력부의 각 부는, 미리 정해진 주기로 상기 각 부의 동작을 반복해서 행하는 것인, 제어 장치.
KR1020220064209A 2021-06-07 2022-05-25 제어 방법 및 제어 장치 KR20220165193A (ko)

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